[논문 리뷰] Emergent biological principles and the computational properties of the universe

P. C. W. Davies|arXiv (Cornell University)|2004. 08. 01.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 30인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 우주의 유한한 정보 처리 능력으로 인해 생명이 새로운 현상으로 나타나며, 작은 단백질 수준과 유사한 복잡도의 임계값이 생물학적 탄생의 시작을 나타낸다고 제안한다. 천체물리적 한계와 생물학적 복잡도를 연결함으로써, 저자는 생명의 원리가 물리적 닫힘의 위반은 아니며 정보 이론적 제약의 파생 결과임을 주장한다.

ABSTRACT

The claim that life is an emergent phenomenon exhibiting novel properties and principles is often criticized for being in conflict with causal closure at the microscopic level. I argue that advances in cosmological theory suggesting an upper bound on the information processing capacity of the universe may resolve this conflict for systems exceeding a certain threshold of complexity. A numerical estimate of the threshold places it at the level of a small protein. The calculation supports the contention that life is an emergent phenomenon.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 원리의 탄생과 물리학의 인과적 닫힘 사이의 철학적 갈등을 해결하기 위해.
• 우주의 유한한 계산 능력이 생명 탄생을 설명할 수 있는 물리적 복잡도 한계를 부과하는지 조사하기 위해.
• 새로운 원리(예: 생물학의 원리)가 반드시 나타나야 하는 복잡도의 임계값을 추정하기 위해.
• 생명의 탄생이 물리 법칙과 충돌하지 않으며, 정보 이론적 제약의 결과임을 보여주기 위해.
• 생물학적 시스템이 물리적 닫힘의 위반으로서가 아니라, 우주의 계산 한계에서 비롯된 탄생 현상임을 위치지어 설명하기 위해.

제안 방법

• 우주의 수명 기간 동안 처리할 수 있는 비트 총 수에 대한 천체물리적 한계를 분석한다.
• 기타 물리 상수를 사용하여 관측 가능한 우주 내에서 가능한 최대 연산 수(또는 정보 처리 사건 수)를 추정한다.
• 이 총 계산 능력을 생물학적 시스템, 특히 단백질의 정보 내용과 비교한다.
• 가능한 구성 수가 우주의 계산 능력을 초과하는 임계 복잡도를 식별함으로써, 탄생 현상이 발생할 가능성이 있음을 밝힌다.
• 랜더의 원리와 부소의 공변 엔트로피 한계를 적용하여 시공간 내 정보 처리를 제약한다.
• 차원 분석과 이론적 천체물리학을 사용하여 기본 입자나 비트 단위의 임계 복잡도에 대한 근사 추정을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생물학적 원리의 탄생은 물리학의 인과적 닫힘과 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ2 신규 원리가 반드시 나타나야 하는 물리적 시스템의 최대 복잡도는 무엇인가?
• RQ3 우주의 유한한 정보 처리 능력은 생명 기원을 설명할 수 있는 물리적 복잡도 한계를 부과하는가?
• RQ4 어느 정도의 복잡도에서 가능한 구성 수가 우주의 계산 능력을 초과하여 탄생 현상이 필수적으로 발생하는가?
• RQ5 생명의 탄생은 물리 법칙의 위반보다는 근본적인 정보 이론적 한계의 결과인가?

주요 결과

• 우주가 자신의 수명 기간 동안 수행할 수 있는 정보 처리 사건 수는 천체물리적 상수에 의해 제한되며, 약 10^123회의 연산으로 추정된다.
• 탄생하는 생물학적 원리의 임계 복잡도는 정보 이론적 한계에 기반하여 작은 단백질 수준, 즉 약 100개의 아미노산 크기로 추정된다.
• 이 임계값을 초과하는 시스템은 우주가 제공할 수 있는 계산 자원을 초과하므로, 복잡도를 줄이기 위해 새로운 원리가 반드시 탄생해야 한다고 볼 수 있다.
• 생명의 탄생은 물리적 닫힘의 위반은 아니며, 우주의 유한한 계산 능력의 결과이다.
• 이 모델은 생물학적 시스템이 단순한 물질 배열을 넘어서 정보 처리의 단계 전이를 나타낸다고 제안한다.
• 결과는 생명이 시공간 내 정보 처리의 기본 제약에서 비롯된 탄생 현상임을 지지한다.